一种微机械陀螺自激驱动方式的电学模拟

　　1　引　　言

　　振动式微机械陀螺在驱动电路产生的电压作用下,其敏感质量块沿驱动方向以一定的频率作简谐振动,检测电路把科里奥利力产生的机械振动转化为电信号,并对信号进行处理,得到需要测量的输入角速度信号。为了提高陀螺检测的灵敏度,驱动信号的频率要和驱动模态的固有频率一致,使驱动在谐振状态下振动,以得到较大的驱动振动幅度。由于检测方向受的科　　里奥利力与驱动振动速度幅度成正比,所以在陀螺工作时,为了保证陀螺检测的精度,对驱动振动速度幅度的稳定性就提出了要求。因此,在驱动接口电路中一般要包括检测驱动振动速度幅度的电路和反馈控制驱动的电路,使驱动振动的速度幅度保持在设定的值上[1]。

　　对于梳状静电驱动、梳状电容检测的振动式微机械陀螺[2],一般采用外加直流叠加交流电压来推挽驱动。该驱动方式实现电路简单,外加驱动的交流信号频率要等于驱动模态的固有频率,而且交流信号频率必须稳定在这个频率上,这在电路实现中比较困难;另外当驱动模态的固有频率由于温度、老化等原因会发生变化时[3],外加驱动的交流信号频率和驱动模态的固　　有频率很难一致,这降低了陀螺检测的灵敏度。这里对这种微机械陀螺提出了一种自激驱动方式[4],这种方式能在驱动模态的固有频率上自激振动,驱动振动频率能跟随由于温度等原因引起的固有频率变化,所以驱动振动幅度较大,而且能保持驱动振动速度幅度不变,驱动电路的通用性较好,可以广泛应用在切向静电力驱动的振动式微机械陀螺中。

　　2　微机械陀螺自激驱动方式

　　2.1　自激驱动原理

　　陀螺自激驱动方式的模块如图1所示,其中包含了电流电压转换电路、自动增益控制(AGC)电压产生电路和可变增益放大电路三个模块。

　　振动式微机械陀螺的敏感质量块在静电力的作用下沿驱动轴(X方向)振动,驱动方向的位移引起平行板电容的变化,如图2所示,图中1是可动质量块,2是固定梳齿,它们之间形成一对差分电容,静态时的电定偏压VDC时,由于平行板电容变化形成了电容的充放电流i(+)和i(-),若X方向的振动速度为vx,则:

　　电流经过增益Gain的电流电压转换,输出为:

　　V(+)和V(-)经过可变增益放大器后的输出为:

　　V(+)o和V(-)o作为反馈驱动交流电压信号与直流电压VDC一起形成陀螺的驱动电压V1和V2:

　　由V1和V2产生的驱动力为:

　　式中Ad为与驱动结构有关的常数。陀螺的驱动方向动力学方程为:

　　式(11)可以由下面电路方程来等效,电路如图3所示。